Электрофоретическая кристаллизации ультратонкий высокопроизводительный металлоорганических Framework мембран
Summary
Простой, воспроизводимые и универсальный подход для синтеза Сростки, мембраны металлоорганических основа поликристаллического на широкий спектр неизмененном пористых и непористых поддерживает представлен.
Abstract
Мы сообщаем синтез металлоорганических framework (MOF) мембраны тонкие, высоко Сростки, поликристаллического на широкий спектр неизмененном пористых и непористых поддерживает (полимер, керамики, металла, углерода и графен). Мы разработали технику Роман кристаллизации, который называется принимать подход: Ассамблея электрофоретической ядер для кристаллизации высоко сростки тонких пленок (введение). Этот подход позволяет для высокой плотности гетерогенной нуклеации MOFs на выбранной подложки через электрофоретического осаждения (EPD) непосредственно из прекурсоров соль. Рост хорошо упакованные МФ ядра приводит к весьма сростки поликристаллического МФ фильм. Мы показываем, что этот простой подход может использоваться для синтеза тонкий, сростки цеолит имидазола framework (ZIF) -7 и ZIF-8 фильмов. Результате 500 Нм толстый ZIF-8 мембраны показывают значительно высокая магнитная2 H (8,3 x 10-6 моль м-2 s-1 ПА-1) и уравнение состояния идеального газа селективностью (7.3 H2/CO2, 15,5 Ч2/n2, 16.2 H2/ч4и 2655 H2/c3H8). Также является привлекательным производительности для C3H6/c3H8 разделения достигнута (C3H6 магнитная из 9,9 x 10-8 моль м-2 s-1 ПА-1 и C-3H 6/c3H8 идеально избирательность 31,6 при 25 ° C). В целом введение процесс, благодаря своей простоте, может быть расширен синтезировать сростки тонких пленок широкого круга нанопористого кристаллических материалов.
Introduction
Тонких молекулярных просеивание мембраны предлагают высокоэнергетических эффективность разделения молекул и может уменьшить общую стоимость топлива, CO2 захвата, очистки воды, рекуперация растворителей,1, и т.д.2. MOFs являются перспективным класс материал для синтеза молекулярных просеивание мембран из-за связанных isoreticular синтетической химии и относительно простой кристаллизации3. На сегодняшний день МФ мембраны, состоящий из различных кристаллических структур, включая ZIF-4 -7, -8, -9, -11, -67, -90 и -93 и UiO-66, HKUST-1 и MIL-53 что сообщил4,5. Эти мембраны синтезирован кристаллизации высокого качества поликристаллического МФ фильмов на пористых поддержки. Как правило чтобы получить высокий разделения избирательности, это необходимо для сокращения количества дефектов в фильме МФ поликристаллического (например, проколов и зерно граница дефектов). Удобный подход к сокращению дефектов является кристаллизоваться толстых фильм. Не удивительно, некоторые из ранее сообщалось на МФ мембраны очень толстые (более 5 мкм). К сожалению толщиной пленки ведут путь длиной диффузии, который ограничивает магнитная мембраны. Таким образом в то время как улучшение избирательности, магнитная приносится в жертву. Обойти этот компромисс, необходимо разработать методы кристаллизуются ультратонких (< 0,5 мкм толстый), дефектов МФ фильмов.
ZIF-8 является наиболее интенсивно изучал МФ для синтеза мембранных, благодаря своей исключительной химической и термической стабильностью и простой кристаллизации химии6,7. До настоящего времени сообщил ультратонких мембраны ZIF-8 были реализованы путем изменения топологии базовой пористого субстрата, пользу гетерогенной нуклеации ZIF-8, который необходим для фильма сростки поликристаллического или химии поверхности. К примеру, Чэнь и др. сообщили синтез 1 µm толщиной ZIF-8 фильма (3-аминопропил) triethoxysilane модифицированные TiO2-с покрытием poly(vinylidene fluoride) (PVDF) полых волокон8. Они наблюдали высокий гетерогенной нуклеации плотности и отнести его к одновременной модификации химии поверхности и наноструктур. Пинеманом группа сообщила ультратонкий мембрана ZIF-8 на метал Хелатирующие, polythiosemicarbazide (PTSC) поддержки9. Этот уникальный металла хелатирующих возможность PTSC привело к связывание ионов цинка, поощрение гетерогенной нуклеации ZIF-8, которые впоследствии привели к высокой производительности ZIF-8 мембраны. В общем тюнинг субстрат химии и наноструктурированных облегчает синтез мембран МФ высокой производительности; Однако эти методы являются довольно сложными и обычно не могут быть восстановлены синтезировать мембран МФ от других привлекательных МФ структур.
Здесь мы приводим синтез ультратонких, высоко сростки ZIF-8 фильмов, с использованием простой и универсальный кристаллизации подход, который может быть повторно сформировать тонкопленочных intergrown нескольких кристаллических материалов10. Мы покажем примеры ZIF-8 и ZIF-7 фильмов, подготовленный без предварительной обработки любого субстрата, который значительно упрощает процесс подготовки. ZIF-8 фильмов готовятся на широкий спектр субстратов (керамические, полимерные, металл, углерода и графен). 500 Нм толстый ZIF-8 фильм на поддержку анодного оксида алюминия (ААО) отображает привлекательные разделения производительности. Высокая магнитная2 Ч 8,3 x 10-6 моль м-2 s-1 ПА-1 и привлекательным идеально селективностью 7.3 (H2/CO2), 15,5 (H2/n2), 16,2 (H2/ч4) и 2655 (H 2/c3H8) достигаются.
Кристаллизации подход, который позволяет вышеупомянутых подвиг является введение. ПРИНИМАТЬ депозиты ZIF-8 ядер на подложке непосредственно из кристалла прекурсоров соль. Этот подход использует EPD за очень короткий период времени (1-4 мин) сразу после индукции время (время, когда ядра появляются в прекурсоров соль). Применение электрического поля заряженных ядер МФ заставляет их сторону электрода с флюсом, которая пропорциональна силе прикладной электрического поля (E), электрофоретической подвижности коллоидной (μ) и концентрация ядер (nC) как показано в уравнения 1 и 2.
(Уравнение 1)
(Уравнение 2)
Здесь,
v = скорость дрейфа,
Ζ = Зета потенциал ядер,
O ε = диэлектрическая проницаемость вакуума,
Εr = диэлектрическая константа, и
Η = вязкость соль прекурсоров.
Таким образом контролируя E и рН раствора (который определяет ζ), можно контролировать плотность ядер. Последующий рост ядер плотно упакованы в соль прекурсоров позволяет исследователям получить весьма сростки поликристаллического фильм.
Protocol
Representative Results
Discussion
Выдающийся особенность метода принимать в отношении существующих методов15 -что принимать метод позволяет синтеза высоко Сростки, ультратонкий МФ фильмов на широкий спектр пористых и непористых подложках. Избегать любой предварительной обработки субстрата, что делает эт…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы признаем, что наши дома учреждением высшей политехнической школе Лозанны (ФПШЛ), за его щедрую поддержку. Этот проект получил финансирование от Европейского союза Horizon 2020 исследований и инновационной программы под Марии Склодовской-Кюри грантовое соглашение № 665667. Авторы благодарят Pascal Александра Schouwink за его помощь с XRD.
Materials
| Zinc nitrate hexahydrate | Sigma-Aldrich | 96482-500G | 98% purity |
| 2-Methylimidazole | Sigma-Aldrich | M50850-500G | 99% purity |
| Benzimidazole | TCI | B0054-500G | 98% purity |
| Tape | DuPont | KPT-1/8 | |
| Epoxy | GC Electronics | 19-823 | |
| Copper foil | Alfa Aesar | 13380.CV | 99.9% purity |
| Power source for EPD | Gamry Instruments | Interface 1000E Potentiostat | |
| Ultrasonic cleaner | MTI corporation | VGT-1860QTD | |
| AAO | GE Healthcare Life Sciences | 6809-7013 | |
| PAN | Shandong MegaVision | The molecular weight cut-off is 100 kDa |
Riferimenti
- Knebel, A., et al. Defibrillation of soft porous metal-organic frameworks with electric fields. Science. 358, 347-351 (2017).
- Brown, A. J., et al. Interfacial microfluidic processing of metal-organic framework hollow fiber membranes. Science. 345, 72-75 (2014).
- Dzubak, A. L., et al. Ab initio carbon capture in open-site metal-organic frameworks. Nature Chemistry. 4, 810-816 (2012).
- Gascon, J., Kapteijn, F. Metal-organic framework membranes-high potential, bright future. Angewandte Chemie International Edition. 49, 1530-1532 (2010).
- Liu, X., Wang, C., Wang, B., Li, K. Novel Organic-Dehydration Membranes Prepared from Zirconium Metal-Organic Frameworks. Advanced Functional Materials. 27, 1-6 (2017).
- Zhang, F., et al. Hydrogen selective NH2-MIL-53(Al) MOF membranes with high permeability. Advanced Functional Materials. 22, 3583-3590 (2012).
- Kwon, H. T., Jeong, H. -. K. In situ synthesis of thin zeolitic-imidazolate framework ZIF-8 membranes exhibiting exceptionally high propylene/propane separation. Journal of the American Chemical Society. 135, 10763-10768 (2013).
- Hou, J., Sutrisna, P. D., Zhang, Y., Chen, V. Formation of ultrathin, continuous metal-organic framework membranes on flexible polymer substrates. Angewandte Chemie International Edition. 55, 3947-3951 (2016).
- Barankova, E., Tan, X., Villalobos, L. F., Litwiller, E., Peinemann, K. V. A metal chelating porous polymeric support: the missing link for a defect-free metal-organic framework composite membrane. Angewandte Chemie International Edition. 56, 2965-2968 (2017).
- He, G., Dakhchoune, M., Zhao, J., Huang, S., Agrawal, K. V. Electrophoretic Nuclei Assembly for Crystallization of High-Performance Membranes on Unmodified Supports. Advanced Functional Materials. , (2018).
- Li, X., et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science. 324, 1312-1314 (2009).
- Rodriguez, A. T., Li, X., Wang, J., Steen, W. A., Fan, H. Facile synthesis of nanostructured carbon through self-assembly between block copolymers and carbohydrates. Advanced Functional Materials. 17, 2710-2716 (2007).
- Huang, S., et al. Large-area single-layer graphene membranes by crack-free transfer for gas mixture separation. Nature Communications. , (2018).
- Agrawal, K. V., Dakachoune, M., Huang, S., He, G., Dudani, N. . Ultrahigh flux gas-selective nanoporous carbon membrane and manufacturing method thereof. , (2017).
- Liu, J., Wöll, C. Surface-supported metal-organic framework thin films: fabrication methods, applications, and challenges. Chemical Society Reviews. 46, 5730-5770 (2017).
